一种GaN宽禁带功率放大器的设计

摘 要:氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的典型代表之一,由于其宽带隙、高击穿电场强度等特点,被认为是高频功率半导体器件的理想材料。为研究GaN功率放大器的特点,基于Agilent ADS仿真软件,利用负载/源牵引方法设计制作了一种S波段GaN宽禁带功率放大器(10 W)。详细说明了设计步骤并对放大器进行了测试,数据表明放大器在2.3～2.4 GHz范围内可实现功率超过15 W,附加效率超过67%的输出。实验结果证实,GaN功率放大器具有高增益、高效率的特点。

关键词:宽禁带半导体; 功率放大器; 附加效率; GaN

中图分类号:TN95 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)13-0045-03

Design of GaN Wide-bandgap Power Amplifier with High Efficiency

ZHANG Fang-di1, ZHANG Min1, YE Pei-da2

(1. East China Research Institute of Electronic Engineering, Heifei 230031, China;

2. Key Lab of Information Photonics and Optical Communications, Ministry of Education, School of Telecommunication Engineering,

Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)

Abstract: GaN as one typical representative of the third generation semiconductor materials is considered to be a perfect candidate for high-frequency semiconductor power devices due to its features such as wide bandgap and high critical electric field. By using a loadpull/sourepull method, a S-band GaN wide-bandgap power amplifier (10 W) is designed and fabricated based on the Agilent ADS software to investigate the properties of GaN power amplifier. The design procedure for the power amplifier is illustrated in detail. The power amplifier was tested. The test results show that the output power over 15W and power added efficiency (PAE) above 67% can be realized by the designed amplifier at the range of 2.3～2.4 GHz, and prove that the GaN wide-bandgap power device has the characteristics of high gain and high efficiency.

Keywords: wide-bandgap semiconductor; power amplifier; power added efficiency; GaN

0 引 言

半导体功率器件按材料划分大体经历了三个阶段。第一代半导体功率器件以Si双极型功率晶体管为主要代表,主要应用在S波段及以下波段中[1]。Si双极型功率晶体管在L波段脉冲输出功率可以达到数百瓦量级,而在S波段脉冲功率则接近200 W。第二代半导体功率器件以GaAs场效晶体管为代表,其最高工作频率可以达到30~100 GHz。GaAs场效应晶体管在C波段最高可输出功率接近100 W,而在X波段则可达到25 W。第三代半导体功率器件以SiC场效应晶体管和GaN高电子迁移率晶体管为主要代表。同第一代、┑诙代半导体材料相比,SiC和GaN半导体材料具有宽禁带、高击穿场强、高饱和电子漂移速率以及抗辐射能力强等优点,特别适合应用于高频、高功率、抗辐射的功率器件,并且可以在高温恶劣环境下工作[2-5]。由于具备这些优点,宽禁带半导体功率器件可以明显提高电子信息系统的性能,广泛应用于人造卫星、火箭、雷达、通讯、战斗机、海洋勘探等重要领域[6-10]。

本文基于Agilent ADS仿真软件设计实现一款高效GaN宽禁带功率放大器,详细说明设计步骤并对放大器进行了测试,结果表明放大器可以在2.3~2.4 GHz内实现功率15 W以上,附加效率超过67%的输出。

1 GaN宽禁带功率放大器的设计

1.1 放大器设计指标

在2.3~2.4 GHz工作频段内,要求放大器连续波工作,输出功率大于10 W,附加效率超过60%。

1.2 功率管的选择

根据放大器要求的设计指标,设计选用的是某进口公司提供的SiC基GaN宽禁带功率管,其主要性能参数见表1。

1.3 放大器电路设计

图1为功率放大器原理框图。图1中,IMN&Bias和OMN&Bias分别为输入匹配网络及输入偏置电路和输出匹配网络及偏置电路,VGS和VDS分别为栅极-源极工作电压和漏极-源极工作电压。采取的设计思路是:对功率管进行直流分析确定放大器静态工作电压;进行稳定性分析和设计;利用源牵引(Source Pull)和负载牵引(Load Pull)方法确定功率管匹配电路的最佳源阻抗ZS和最佳负载阻抗ZL(ZS和ZL的定义见图1);根据获得的源阻抗与负载阻抗进行输入、输出匹配电路设计以及偏置电路设计;加工、调试及改版。

表1 GaN功率器件性能参数

频率范围Up to 4 GHz小信号增益(最小)14 dB

P3dB输出功率(最小)13 W效率(P3dB)65%

工作电压28 V击穿电压VBR(最小)84 V

器件结温(最大)175 ℃热阻5 ℃/W

图1 功率放大器原理框图

1.3.1 直流分析

对功率放大器进行直流分析的目的是通过功率管的电流-电压(I-V)曲线确定功率管的静态工作电压。由于厂家提供了功率管的ADS模型,因此设计中直接利用该模型进行仿真设计(下同)。

图2为在Agilent ADS软件中对器件模型进行直流分析的结果。根据厂家给出的器件规格参数以及┩2中的I-V曲线,选用VDS=28 V,VGS=-2.5 V作为放大器的工作电压。为使放大器能够实现较高的效率,这里选取静态电压让放大器在C类条件下工作。

图2 基于ADS模型的功率管I-V曲线

1.3.2 稳定性分析

稳定性是放大器设计中需要考虑的关键因素之一,它取决于晶体管的S参数和置端条件。功率放大器的不稳性将产生不希望出现的寄生振荡,导致结果失真,甚至设计失败。因此,在进行放大器阻抗匹配电路设计之前,必须进行稳定性分析与设计。

图3给出了功率管稳定系数随频率的变化曲线。图3中,稳定系数K与D分别定义为:

K=1-S11-S22+D22S12S21 (1)

D=S11S22-S12S21 (2)

从图3可以看出,在设计频段内稳定系数K和D分别满足大于1和小于1的条件,所以功率管为无条件稳定[11]。

图3 功率管稳定系数随频率的变化曲线

1.3.3 源牵引与负载牵引分析

源牵引/负载牵引分析方法原理:放大器在大信号电平激励下,通过连续变换源阻抗/负载阻抗对功率管进行分析,然后在Smith阻抗圆图上画出等功率曲线和等增益曲线,并根据设计要求选择出最佳源阻抗/最佳负载阻抗准确设计出满足要求的功率放大器。

分析中选取中心频率f=2.35 GHz。为准确获取功率管的最佳源阻抗ZS和最佳输出阻抗ZL,分析过程中遵循效率优先的策略,并采取如下步骤:

首先,假定ZS(0)=10 Ω进行负载牵引分析获得ZL(1);然后,根据ZL(1)进行源牵引分析获得ZS(1);再根据ZS(1)进行负载牵引分析得到ZL(2),…。重复进行源牵引分析与负载牵引分析,直至前后两次得到的负载阻抗ZL相等或者相差很小为止。

图4为进行源牵引分析和负载牵引分析得到的功率管输出功率、附加效率(Power Added Efficiency,PAE)等高线图。图4中,功率管的附加效率定义为:

ηPAE=(POUT-PIN)/PDC (3)

式中:POUT,PIN和PDC分别为放大器输出功率、输入功率和电源消耗功率;ηPAE代表功率附加效率。

从图4中可以读出功率放大器的最佳源阻抗与最佳负载阻抗分别为ZS=2.1-j6.5 Ω与ZL=13+j7.8 Ω。

1.3.4 匹配网络、偏置电路设计

匹配电路主要用来进行阻抗变换,其最终的目的是为了实现最大的功率传输。在仿真设计过程中,首先假设是在理想偏置电路的情况下利用取得的最佳源阻抗和最佳负载阻抗进行输入、输出匹配网络设计,然后根据1/4λ准则进行偏置电路设计,并通过微调电路部分参数使偏置电路满足射频扼流的要求。在Agilent ADS软件中,为使设计能够准确模拟真实情况,一般需要在电路设计(基于模型的)之后进行RF Momentum优化仿真。┩5为Agilent ADS软件设计的放大器匹配网络与偏置电路。图5中,微波电路基板材料选用的是Rogers公司的RT/duroid 6002板材,介电常数为2.94,厚度为0.254 mm。优化仿真过程中发现:放大器的效率和带宽是一对矛盾,当效率提高时,带宽变窄,反之亦然。

图4 功率管功率、附加效率等高线图

图5 匹配网络与偏置电路

2 指标测试

放大器实物如图6所示。

图6 放大器实物图

对设计的宽禁带功率放大器进行了测试。测试条件是:连续波工作,漏极电压VDS=28 V,栅极电压VGS=-2.5 V。图7为频率为2.35 GHz时,放大器输出功率、附加效率随输入功率的变化曲线。由测试结果可知:随着输入功率的增大,放大器的输出功率近似呈线性增大,在26 dBm开始出现饱和;随着输入功率的增大,放大器附加效率增大,在27 dBm时达到最大附加效率68.5%。实验还在2.2~2.6 GHz频率范围内(0.5 GHz为步长)测试了放大器的输出功率和附加效率参数,测试结果如图8所示。在2.25~2.5 GHz频率范围内,放大器输出功率在10 W以上,附加效率也超过60%。在2.3~2.4 GHz频率范围内,输出功率超过15 W,附加效率超过67%,放大器满足设计指标。

图7 输出功率、附加效率随输入功率的变化曲线

图8 输出功率、附加效率随频率的变化曲线

3 结 语

利用SiC基GaN宽禁带功率器件设计制作了S波段10 W功率放大器。试验测试结果表明所设计的放大器在2.3~2.4 GHz内附加效率在67%以上,也证实了宽禁带器件高效率、高增益的特点。

参考文献

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